岳前進(jìn) 王國軍 董 睿 黃亞婷 吳寬寬 張大勇

（1.大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 盤錦 124221；2.大連理工大學(xué) 運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部 大連 116023）

0 引言

我國的海冰主要分布在渤海與北黃海。由于渤海的熱容量較小，冬季容易受到西伯利亞寒流的侵襲，每年冬季都會有不同程度的冰情發(fā)生。歷史上曾發(fā)生過比較嚴(yán)重的冰情，導(dǎo)致海冰推倒石油平臺。另外，由于渤海的油田比較分散，需要建設(shè)經(jīng)濟(jì)性的抗冰平臺，使得我國冰區(qū)資源開發(fā)問題比較突出。我國海冰研究的蓬勃發(fā)展得益于渤海開發(fā)了大型油田與改革開放，同時(shí)，中國海洋石油公司的前身——渤海石油公司開展了國際合作，極大促進(jìn)了我國的海冰研究進(jìn)程。圍繞渤海油氣開發(fā)的海冰研究，相繼開展了大范圍的海冰調(diào)查、基于石油平臺的現(xiàn)場原型監(jiān)測以及建立冰力學(xué)實(shí)驗(yàn)室與冰池等研究。我國在海冰方面的研究成果促進(jìn)了渤海油氣的安全性與經(jīng)濟(jì)性開發(fā)，為后來在冰區(qū)進(jìn)行風(fēng)電與光伏建設(shè)提供了技術(shù)支撐，也為我國積極參與極地海洋資源開發(fā)建設(shè)奠定了理論基礎(chǔ)。

1 海冰調(diào)查研究

我國海冰調(diào)查研究開展較早，主要的調(diào)查方式包括定點(diǎn)觀測、沿岸調(diào)查、船舶調(diào)查、飛機(jī)遙感及衛(wèi)星遙感等。早期的海冰調(diào)查主要圍繞渤海海域的需求開展，最初針對渤海沿岸的漁業(yè)冰災(zāi)害問題，開展沿岸海冰的冰期、冰厚、氣溫及海冰的覆蓋范圍等方面的調(diào)查研究。隨著渤海油氣資源開采的發(fā)展，海上油氣平臺的建設(shè)使海冰對結(jié)構(gòu)的威脅成為海冰調(diào)查的主要發(fā)展方向，從而開展了針對結(jié)構(gòu)安全生產(chǎn)設(shè)計(jì)的海冰調(diào)查。

在定點(diǎn)觀測方面，大連理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用遼東灣沿岸的6 個(gè)長期海洋觀測站，對海冰參數(shù)進(jìn)行調(diào)查研究[1]，針對定點(diǎn)冰厚觀測的不同需求，開發(fā)了基于磁致伸縮原理的3 種新型定點(diǎn)冰厚觀測技術(shù)，即冰厚測量儀、電阻式冰厚測量儀和熱電阻線式冰厚測量儀[2]。

在沿岸調(diào)查方面，國家海洋局北海分局使用海冰強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)和冰樣溫度、鹽度、密度等測試設(shè)備，增加了計(jì)算機(jī)自動記錄、密度傳感器測量等功能，實(shí)現(xiàn)了測量設(shè)備方便攜帶，保證在現(xiàn)場沿岸和船舶調(diào)查時(shí)的可操作性[3]。中海油石油公司基于測量船、近海調(diào)查以及眾多學(xué)者的研究成果，將黃海、渤海劃分為21 個(gè)區(qū)域，對各個(gè)區(qū)域的冰情進(jìn)行了詳細(xì)描述，包括冰區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的海冰設(shè)計(jì)強(qiáng)度、冰厚、冰期和海冰覆蓋率等[4]。

在船舶調(diào)查方面，非破冰船的調(diào)查船在冰情較重海區(qū)沿流冰外緣線航行，在冰情較輕海區(qū)近岸航行，為保證船舶調(diào)查的質(zhì)量，調(diào)查時(shí)間主要安排在白天；夜間通常采用雷達(dá)觀測，同時(shí)輔以目測[5]。海軍利用破冰船對結(jié)冰海域的海冰進(jìn)行取樣，多次完成冰情調(diào)查及水文氣象測量任務(wù)。大連理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用破冰船進(jìn)行冰脊、冰力學(xué)性質(zhì)系統(tǒng)調(diào)查和遙感冰面同步觀測[6]。

在飛機(jī)遙感方面，我國利用飛機(jī)對黃海和渤海海冰的結(jié)冰范圍、冰型及密集度等進(jìn)行調(diào)查，飛機(jī)飛行高度一般距海面1.5 km，可視范圍廣、巡視速度快，對整個(gè)海域的海冰可視為同步觀測[7]。營口市海洋預(yù)警監(jiān)測中心利用無人機(jī)在-20℃的低溫環(huán)境中開展觀測，獲取海冰信息和海冰變化規(guī)律。

在衛(wèi)星遙感方面，利用遙感圖像可以有效地對海冰范圍、厚度和密集度等參數(shù)進(jìn)行反演，給出海冰參數(shù)的空間分布特征，從而為該海域海洋工程抗冰設(shè)計(jì)提供重要參考。郭衍游等[8]利用中分辨率成像光譜儀（moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODIS）分析年度周期內(nèi)海冰變化情況；國巧真等[9]利用TM 遙感影像數(shù)據(jù)對其他影像數(shù)據(jù)建立的渤海海冰面積模型進(jìn)行修正；谷洪欽等[10]利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對桑溝灣海域的海冰厚度進(jìn)行反演。

根據(jù)渤海海冰和內(nèi)陸河冰調(diào)查技術(shù)現(xiàn)狀和未來發(fā)展前景，設(shè)計(jì)、組合和加工可視化技術(shù)，可建立冰層厚度變化過程測試技術(shù)和溫度測試記錄系統(tǒng)，使海冰觀測向定量化方向發(fā)展[11]。為減小人為誤差，應(yīng)當(dāng)促進(jìn)冰情數(shù)據(jù)定量化分析技術(shù)的建立，發(fā)展冰情可視化圖形處理技術(shù)以輔助裸眼觀測。區(qū)別于國內(nèi)岸邊固定雷達(dá)，船舶雷達(dá)跟蹤技術(shù)可觀測冰山，具有觀測范圍大、回波信號強(qiáng)、船舶搖擺引起誤差小等優(yōu)點(diǎn)，還能避免因能見度低而導(dǎo)致裸眼觀測受限。

2 海冰生消與運(yùn)動研究

冰情的預(yù)測是我國渤海海洋產(chǎn)業(yè)和工程建設(shè)面臨的最關(guān)鍵問題之一。因此，深入研究海冰生消演變規(guī)律，對冰情預(yù)測具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。按時(shí)間尺度分類，海冰預(yù)報(bào)分為短期預(yù)報(bào)（以數(shù)值預(yù)報(bào)為主）、氣候預(yù)報(bào)和氣候變化趨勢預(yù)報(bào)[12-13]。

在自然條件下，海冰的物理演變過程大致可分為熱力和動力兩部分。海冰的生消規(guī)律、季節(jié)性變化和海域分布特點(diǎn)等由海冰熱力過程主導(dǎo)；海冰形變、斷裂、重疊和堆積過程等過程由動力過程主導(dǎo)。1890 年，STEFAN[14]建立了冰厚計(jì)算公式，這也是關(guān)于海冰熱力學(xué)模型的最早描述。20 世紀(jì)六七十年代，學(xué)者M(jìn)AYKUT 和UNTERSTEINER 提出了海冰熱力學(xué)模式，后被簡稱為MU 模式，其發(fā)展比較完善，基本原理是保證熱力平衡[15]。在實(shí)際工程中，海冰熱力過程與動力過程密切相關(guān)，在熱力因素影響下的動力過程，可能會使海冰的厚度、溫度及冰晶結(jié)構(gòu)等因素受到影響，導(dǎo)致海冰的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)而影響海冰斷裂、堆積等動力過程。同樣，海冰在動力作用下發(fā)生斷裂、冰堆積等行為也會影響到海冰的熱力作用過程。1979 年，HIBLER[16]首次詳細(xì)描述了考慮熱力-動力耦合作用的海冰數(shù)值模式。

自20 世紀(jì)80 年代初以來，我國逐步建立了適合渤海的海冰數(shù)值模型。國家海洋局海洋環(huán)境保護(hù)研究所團(tuán)隊(duì)建立了第1 個(gè)模擬渤海海冰生消過程的動力-熱力模式，利用實(shí)際監(jiān)測的數(shù)據(jù)作為大氣強(qiáng)迫場，模擬了渤海海冰的生消過程。除常用的海冰熱力學(xué)過程外，基于該模型進(jìn)行討論和試驗(yàn)了海冰漂向溫水的融化過程，以及個(gè)別海洋、環(huán)境等因素對海冰生消過程的影響[17]。國家海洋局海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心采用黏塑性本構(gòu)模型模擬渤海海冰的動力過程，建立了3 類冰厚分布的海冰動力和熱力模型；基于海冰熱動力學(xué)模型，提出一種動力-熱力學(xué)模型來模擬海冰的增長、消融和漂移，并成功進(jìn)行了渤海海冰的運(yùn)行數(shù)值預(yù)測[18-20]。大連理工大學(xué)在海冰動力過程的數(shù)值模擬中采用了由HIBLER 提出的黏塑性海冰本構(gòu)方程，結(jié)合海冰的熱力學(xué)過程，對渤海海冰進(jìn)行數(shù)值模擬，最終建立了海冰熱力-動力數(shù)值模式[21-23]。中國海洋大學(xué)基于國內(nèi)外學(xué)者的冰-海洋耦合模式以及國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心的渤海海冰預(yù)報(bào)模式和POM 海洋模式，結(jié)合渤海海域特征，開發(fā)了適于我國的海冰-海洋耦合模式，模擬了渤海冬季海冰的演變過程[24-25]。目前，渤海海冰熱力學(xué)和動力學(xué)模式研究主要方向?yàn)椋簾崃W(xué)模型的參數(shù)化方案確定，動力學(xué)模型中優(yōu)化計(jì)算和提高計(jì)算精度等問題。

MU 模式或其類似的熱力學(xué)模式主要用于我國海冰的熱力學(xué)模式。影響熱力學(xué)平衡的熱力學(xué)因素主要有太陽輻射、長波輻射、冰蓋上表面的感熱和潛熱、冰蓋內(nèi)部的熱傳遞及冰蓋下表面的海洋熱通量。這些熱力學(xué)因素構(gòu)成了空氣-海冰-海洋的熱力學(xué)平衡方程?；诓澈Ｋ臍庀笥^測所得數(shù)據(jù)資料，國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心對其進(jìn)行了詳細(xì)分析，針對海冰熱力學(xué)模型，提出了一種參數(shù)化方案。根據(jù)渤海海冰的生消規(guī)律，基于海冰中短期的變化規(guī)律，提出以日均量代替時(shí)間步長均值處理海冰熱力學(xué)過程的方法[26-28]。大連理工大學(xué)首次對冰期內(nèi)的遼東灣海洋熱通量進(jìn)行測定和分析，并對熱力因子進(jìn)行分析計(jì)算，利用冰蓋底部的熱量平衡方程計(jì)算出冰和水之間的傳熱系數(shù)，據(jù)此計(jì)算出渤海的海洋熱通量[29-31]。

氣-冰-海系統(tǒng)動量和能量交換以及冰內(nèi)相互作用決定海冰的動力過程，流冰漂移、冰的破碎和冰堆積是渤海海冰的主要研究方向。在風(fēng)和潮汐的共同作用下，海冰總處于復(fù)雜而多變的運(yùn)動中，因此海冰運(yùn)動的動量方程必須能模擬出海冰在大氣系統(tǒng)風(fēng)應(yīng)力、海洋系統(tǒng)潮汐水應(yīng)力和冰應(yīng)力共同作用下的漂移、破碎等。動力模式主要由連續(xù)方程、動量方程和本構(gòu)方程構(gòu)成。海冰動力模式應(yīng)用的數(shù)值方法有光滑粒子流體動力學(xué)方法（smoothed particle hydrodynamics，SPH）、質(zhì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)法（particle in cell，PIC）和有限差分法（finite difference method，F(xiàn)DM）[13]。國家海洋局海洋環(huán)境保護(hù)研究所在早期的數(shù)值模擬中采用了反映海冰漂流過程基本特征的有限差分法（ADI 模型）[17]。國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心將此模式與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式、大氣邊界層模式和潮流模式聯(lián)結(jié)，成功地應(yīng)用于渤海海冰的數(shù)值預(yù)測。同時(shí)，應(yīng)用PIC 進(jìn)行業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報(bào)試驗(yàn)，模擬了渤海海冰厚度變化過程[19,32-34]。大連理工大學(xué)基于PIC 方法和有限差分法分別對海冰厚度和密集度進(jìn)行研究，通過模擬遼東灣海冰48 h 的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)PIC 方法優(yōu)于FDM 方法，并提出了一個(gè)海冰熱力-動力數(shù)值模式。該模式選取SPH 方法計(jì)算得到的海冰動力學(xué)方程和黏彈性塑性本構(gòu)方程[21-23,35]。

3 冰載荷研究

20 世紀(jì)60 年代以來，隨著結(jié)冰海域油氣開發(fā)的迅猛發(fā)展，各國針對海冰對結(jié)構(gòu)物的作用進(jìn)行了大量研究，并形成理論分析、試驗(yàn)測量和數(shù)值模擬等冰載荷研究方法。

3.1 理論分析

3.1.1 冰載荷研究準(zhǔn)則

由多年現(xiàn)場觀測成果可知，影響冰載荷的因素不僅包括冰的性質(zhì)和類型，還包括結(jié)構(gòu)的類型、形狀等因素。極限動量、極限力以及極限應(yīng)力3 種極限準(zhǔn)則，是海冰對結(jié)構(gòu)的主要作用力[36]。

（1）極限動量準(zhǔn)則

在風(fēng)、浪、流的作用下，平整冰靜止在結(jié)構(gòu)前或因結(jié)構(gòu)的阻礙作用而改變運(yùn)動方向，此時(shí)結(jié)構(gòu)受到的冰力即極限動量載荷，如圖1（a）所示，采用極限動量準(zhǔn)則求解。

圖1 3 種極限準(zhǔn)則與結(jié)構(gòu)作用示意圖

分析極限動量工況下的荷載時(shí)，由于冰與結(jié)構(gòu)沖擊作用的持續(xù)時(shí)長較短，沖擊位置處的局部撞擊冰力變化難以確定，一般采用沖擊時(shí)間脈沖來表示沖擊的強(qiáng)度，參見式（1）：

式中：m為海冰質(zhì)量，kg；v1為海冰作用前的速度，m/s；v2為海冰作用后的速度，m/s。忽略極短時(shí)間內(nèi)的撞擊力變化，可將平均碰撞力近似表示為：F=I/Δt，其中Δt為撞擊時(shí)長。

（2）極限力準(zhǔn)則

在風(fēng)、浪、流的作用下，平整冰由于結(jié)構(gòu)的阻礙作用而停留在結(jié)構(gòu)前，后續(xù)的平整冰或浮冰在風(fēng)、浪、流的拖曳作用下與靜止的平整冰發(fā)生碰撞，并在冰與冰相互接觸的位置發(fā)生擠壓破壞，通過靜止的平整冰對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用力。此時(shí)，結(jié)構(gòu)受到的冰力即極限力載荷，如圖1（b）所示，采用極限力準(zhǔn)則求解，冰力與風(fēng)、浪、流的拖曳力大小相關(guān)。

（3）極限應(yīng)力準(zhǔn)則

當(dāng)海冰的整體強(qiáng)度小于冰與結(jié)構(gòu)之間的相互作用力時(shí)，海冰會發(fā)生破碎。在此種情況下，若海冰持續(xù)向前漂移，就會形成如圖1（c）所示的破碎冰區(qū)。因此，上述2 種準(zhǔn)則將不再適用，需采用極限應(yīng)力準(zhǔn)則?；诙嗄甑默F(xiàn)場觀測成果，國內(nèi)外公認(rèn)極限應(yīng)力是產(chǎn)生最大冰力的機(jī)制。其中，冰板與直立海洋結(jié)構(gòu)作用發(fā)生擠壓破壞時(shí)，產(chǎn)生的冰力最大，對結(jié)構(gòu)的影響最大。因此，通常將該破碎壓力乘以結(jié)構(gòu)物的寬度和撞擊冰的平均厚度，以獲得整體載荷，如式（2）所示：

式中：FG為整體冰載荷，N；PG為平均冰壓力，Pa；h為冰厚，m；w為結(jié)構(gòu)寬度，m。

3.1.2 冰力計(jì)算公式

國內(nèi)外研究人員基于極限應(yīng)力理論、現(xiàn)場實(shí)測和室內(nèi)試驗(yàn)等方法得到了各種冰力計(jì)算公式。純理論公式的典型代表為Croasdale公式，半理論半經(jīng)驗(yàn)公式的典型代表為前蘇聯(lián)規(guī)范 SNIP公式和ISO 19906規(guī)范公式，經(jīng)驗(yàn)公式的典型代表為Schwarz公式。各公式之間計(jì)算結(jié)果存在較大差異且部分公式與實(shí)測數(shù)據(jù)相差較大。KELLNER對各規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)測冰載荷進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)方法明顯高估了冰載荷，并且一些方法的適用性具有爭議。為了設(shè)計(jì)適合渤海冰情特點(diǎn)的石油平臺，20世紀(jì)80年代初，渤海石油公司與德國HSVA合作，利用實(shí)測結(jié)果回歸得到了Schwarz公式，其計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場冰力測量的冰力比較接近，但存在物理意義不明確且不能普遍應(yīng)用的缺點(diǎn)[37]。對此，國內(nèi)眾多專家學(xué)者基于現(xiàn)場實(shí)測和室內(nèi)試驗(yàn)對冰與直立結(jié)構(gòu)相互作用的靜冰力公式進(jìn)行匯總和比較，并對其進(jìn)行了修正[37-39]。

3.2 冰載荷試驗(yàn)測量方法

3.2.1 冰載荷現(xiàn)場測量

由于條件的限制，我國的冰載荷現(xiàn)場實(shí)測主要來源于渤海遼東灣油氣平臺。隨著渤海地區(qū)的海洋平臺陸續(xù)投產(chǎn)（尤其是投入使用JZ20-2 中南平臺以后），冰激振動問題越來越受到重視。2000 年1 月28 日，由于海冰的作用，中南平臺發(fā)生嚴(yán)重穩(wěn)態(tài)振動，導(dǎo)致8 號井排空管線發(fā)生疲勞斷裂，造成大量天然氣泄露，最終使平臺關(guān)斷停產(chǎn)。受中國海洋石油總公司天津分公司的委托，大連理工大學(xué)自20 世紀(jì)90 年代末以來，一直致力于渤海海域的導(dǎo)管架石油平臺的冰荷載測量和冰激振動監(jiān)測工作，獲得了大量現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和研究成果[40]。2003 年，岳前進(jìn)、杜小振等[41-42]利用渤海遼東灣JZ20-2 油田的MUQ 與MNW 平臺開發(fā)了比較完備的冰力測量系統(tǒng)，得到大量冰載荷現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)中，觀察到結(jié)構(gòu)冰力存在明顯的周期性變化特征以及結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)現(xiàn)象。岳前進(jìn)根據(jù)第2 年的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了冰與柔性直立結(jié)構(gòu)作用時(shí)海冰破壞模式對冰荷載的影響，發(fā)現(xiàn)擠壓速度與海冰的失效模式息息相關(guān)，不同冰速下海冰的破壞模式可導(dǎo)致3 種不同的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，即慢冰速下（v＜ l cm/s）的準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，中冰速下（v＜ 5 cm/s）的冰激穩(wěn)態(tài)振動，快冰速下（約v＞5 cm/s）的隨機(jī)振動響應(yīng)[43]。此次試驗(yàn)對冰激振動有了初步的定性了解，但由于冰激振動機(jī)理較為復(fù)雜，還需深入研究。

3.2.2 冰載荷模型試驗(yàn)

相比于現(xiàn)場實(shí)測的復(fù)雜環(huán)境條件和較高的經(jīng)濟(jì)成本，室內(nèi)模型試驗(yàn)不失為一種合適的研究方法。由于測量技術(shù)和裝置的差異，可將室內(nèi)模型試驗(yàn)劃分為靜冰荷載模型試驗(yàn)和動冰荷載模型試驗(yàn)。為了確保試驗(yàn)結(jié)果的合理性與可靠性，應(yīng)要求試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)模型和環(huán)境條件滿足相應(yīng)的相似律。對于靜冰載荷模型試驗(yàn)，主要關(guān)注冰與結(jié)構(gòu)發(fā)生作用時(shí)的荷載極值，用于研究結(jié)構(gòu)的極限承載情況，因此，僅需要考慮結(jié)構(gòu)尺寸和冰的強(qiáng)度相似。對于動冰載荷模型試驗(yàn)，在測量動冰載荷時(shí)需要考慮結(jié)構(gòu)自身的響應(yīng)，以及結(jié)構(gòu)自振與動力學(xué)等相似問題，目前暫無適用性的相似律[44]。

我國室內(nèi)模型試驗(yàn)研究有天津大學(xué)的室內(nèi)冰池試驗(yàn)?；诖藢?shí)試系統(tǒng)，邵晶杰[45]研究了破冰樁間距對冰載荷的影響，分別對單樁體和多樁體開展了模型試驗(yàn)，指出在多樁體試驗(yàn)中，兩端邊緣樁柱的冰載荷值始終比中間樁柱冰載荷值大1.5～ 2.5 倍，且應(yīng)力疊加僅集中在邊樁內(nèi)側(cè)。史慶增 等[46]開展了冰載荷模型試驗(yàn)，研究正倒組合錐體結(jié)構(gòu)冰載荷特點(diǎn)以及錐體間距對結(jié)構(gòu)冰載荷的影響；結(jié)果表明，海冰擠壓失效發(fā)生在正錐和倒錐的過渡區(qū)間；當(dāng)錐體間距小于直徑的7～ 8 倍時(shí)，各錐體的冰載荷將受錐體間距的影響而小于單個(gè)錐體冰載荷。黃焱等研究了冰激柔性結(jié)構(gòu)振動進(jìn)程的控制機(jī)理，發(fā)現(xiàn)冰層失效和冰載荷與冰速變化具有不同的特征，指出冰與結(jié)構(gòu)物之間的相互作用是冰激柔性柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)振動的控制機(jī)理的重要因素。天津大學(xué)開展的有關(guān)錐體和樁柱結(jié)構(gòu)冰載荷模型試驗(yàn)對冰區(qū)海工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

3.3 冰載荷數(shù)值計(jì)算方法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)值方法計(jì)算海洋結(jié)構(gòu)冰載荷具有極大的研究潛力。我國冰與結(jié)構(gòu)相互作用的數(shù)值方法研究以離散元方法（discrete element method,DEM）為主。

離散元是一種動態(tài)的數(shù)值分析方法，可以用來模擬海冰的非均質(zhì)、不連續(xù)和大變形等特點(diǎn)，因此在確定海洋結(jié)構(gòu)冰載荷方面離散元具有顯著的優(yōu)勢。但離散元法的缺點(diǎn)也較為明顯，計(jì)算量較大、耗時(shí)較長，受計(jì)算機(jī)性能發(fā)展水平的限制較大。季順迎教授團(tuán)隊(duì)在海冰離散元模擬方面進(jìn)行了大量研究[47-48]。2014 年，該團(tuán)隊(duì)將GPU 算法引入到冰層與錐體結(jié)構(gòu)的相互作用模擬中，初步解決離散元計(jì)算耗時(shí)較長的問題[49]，并且此次模擬結(jié)果與德國HASV 冰池試驗(yàn)較為吻合。2015年，該團(tuán)隊(duì)初步建立了模擬結(jié)構(gòu)與冰層相互作用動態(tài)響應(yīng)的有限元法-離散元法（FEM-DEM）耦合方法，可以直接得到冰與結(jié)構(gòu)作用時(shí)的冰載荷與結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)[50]。近幾年，該團(tuán)隊(duì)主要集中在離散元模型的開發(fā)上，從球形單元演化出擴(kuò)展多面體單元和擴(kuò)展圓盤單元，提高了離散元法對不同海冰類型的計(jì)算精度[51-52]。

4 抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

在寒區(qū)設(shè)計(jì)和建造海洋結(jié)構(gòu)物具有一定的挑戰(zhàn)性，受風(fēng)、浪驅(qū)動的冰板作用在海洋結(jié)構(gòu)物上可能會產(chǎn)生較大的載荷。1964 年，阿拉斯加庫克灣的海上鉆井平臺被海冰摧毀；1977 年，渤海灣的“海四井”航標(biāo)塔被海冰掀翻[53]；1986 年，波弗特海的Molikpaq 平臺發(fā)生強(qiáng)烈的冰激振動，導(dǎo)致沉箱底部的砂土基礎(chǔ)液化，整體下陷1m左右[54]；2000 年，連續(xù)冰激振動導(dǎo)致 JZ20-2 平臺管線疲勞斷裂，導(dǎo)致平臺停產(chǎn)[55]。由此可見，冰載荷相比波浪載荷對海洋結(jié)構(gòu)物的威脅更大，服役于寒區(qū)的海洋結(jié)構(gòu)物需要具備一定的抗冰性能。寒區(qū)海洋結(jié)構(gòu)物根據(jù)水線處的直徑可以分為窄體結(jié)構(gòu)和寬體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)存的典型窄體結(jié)構(gòu)有導(dǎo)管架平 臺[56]、風(fēng)電基礎(chǔ)[57]、柔性立管[58]以及升壓站[59]等，渤海導(dǎo)管架平臺又被稱為經(jīng)濟(jì)型結(jié)構(gòu)[60-61]。窄體結(jié)構(gòu)具有水線處直徑小、剛度小以及固有頻率低等力學(xué)特性，在進(jìn)行窄體結(jié)構(gòu)抗冰性能分析時(shí)，需要考慮結(jié)構(gòu)的3 大失效模式[62]：極值靜冰力失效、冰振失效以及疲勞失效。靜冰力失效是指極值靜冰力導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度失效，冰振失效是指冰激振動導(dǎo)致平臺上部加速度響應(yīng)過高，目前窄體結(jié)構(gòu)主要關(guān)注動冰力失效和疲勞失效問題。

大連理工大學(xué)張大勇、岳前進(jìn)等對冰區(qū)導(dǎo)管架平臺[56]、簡易平臺[63]、自升式平臺[64-65]、風(fēng)電基礎(chǔ)[57]等固定式結(jié)構(gòu)的抗冰性能和冰振失效模式進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。21 世紀(jì)初，岳前進(jìn)提出了JZ20-2 北高點(diǎn)單樁導(dǎo)管架錐體海洋平臺的抗冰設(shè)計(jì)概念，該平臺位于渤海海域，具有抗冰振、抗疲勞的優(yōu)點(diǎn)。直立結(jié)構(gòu)安裝抗冰錐體是提升寒區(qū)海洋工程結(jié)構(gòu)抵御海冰威脅能力的有效手段。安裝抗冰錐能夠有效減小冰力和降低平臺冰激振動，在渤海油氣平臺中取得了較好的應(yīng)用[66]?？贡F設(shè)計(jì)中錐體角度是影響錐體抗冰能力的主要因素。龍雪等[67-68]基于離散元數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)加錐角度應(yīng)當(dāng)取60°～ 65°，此時(shí)冰載荷較小且錐角合理。

除了安裝抗冰錐的減振措施外，在海洋平臺振動控制中應(yīng)用調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（tuned mass damper,TMD）和調(diào)諧液體阻尼器（tuned liquid damper,TLD）也可以起到較好的抗冰振效果。陸建輝等[69]采用黏彈性阻尼器來控制平臺的振動，并對阻尼器的設(shè)計(jì)與位置優(yōu)化問題進(jìn)行了深入研究。歐進(jìn)萍 等[70-71]致力于研究渤海海洋平臺結(jié)構(gòu)的冰激振動問題，在導(dǎo)管架平臺上應(yīng)用隔振裝置以此達(dá)到減振效果，取得了良好的抗冰振效果。

極地海域的冰情與我國渤海相比差異很大，我國的經(jīng)濟(jì)型導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)在極地海域沒有較好的適用性。目前，國際上認(rèn)為大尺度結(jié)構(gòu)（沉箱結(jié)構(gòu)[72]和半潛式平臺[73]）是比較適合極地海域的平臺形式。寬大結(jié)構(gòu)具有水線處直徑較寬、剛度較大以及固有頻率較高等力學(xué)特性，寬大結(jié)構(gòu)可以依靠其重力產(chǎn)生的摩擦力來有效抵御海冰的水平載荷，并且寬大結(jié)構(gòu)與海冰作用不易發(fā)生冰激振動現(xiàn)象。但寬大結(jié)構(gòu)因其水線處直徑較寬，破碎后的海冰不易從結(jié)構(gòu)兩側(cè)清除而導(dǎo)致冰堆積現(xiàn)象，故寬大結(jié)構(gòu)主要考慮靜冰力失效和冰堆積的問題。目前寬大結(jié)構(gòu)的冰載荷研究成果主要來自于Kulluk 和Molikpaq 鉆井平臺的實(shí)測數(shù)據(jù)。

5 海冰管理研究

世界范圍內(nèi)的寒區(qū)海洋資源探索已進(jìn)行了數(shù)十年，為保障寒區(qū)海洋資源的安全開發(fā)，國內(nèi)外經(jīng)過數(shù)十年的探索，已初步形成科學(xué)合理的海冰管理技術(shù)，避免或減輕海冰對資源開發(fā)過程的影響。

早期在波弗特海率先開展極區(qū)海上勘探鉆井作業(yè)，由于抗冰技術(shù)的不完善，使作業(yè)窗口期較短，寒區(qū)能源開采成本較高。為了延長鉆探時(shí)長，1983年，在波弗特海首次應(yīng)用了一種錐形鉆井平臺（即Kulluk 平臺），同時(shí)還搭建了針對極區(qū)能源開發(fā)的安全保障系統(tǒng)。這一成熟體系為后續(xù)的寒區(qū)海域資源開發(fā)提供了有力的參考與借鑒[60]，比如薩哈林島的海洋資源開發(fā)、加拿大東海岸以及格陵蘭島北部地區(qū)的石油鉆探作業(yè)等。眾多應(yīng)用表明，海冰風(fēng)險(xiǎn)管理能夠有效降低寒區(qū)資源開發(fā)過程中的海冰威脅。

每年冬季，我國渤海、北黃海等海域也會發(fā)生不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象，從而對航運(yùn)、養(yǎng)殖和油氣開發(fā)等各類海洋活動造成嚴(yán)重影響。史慶增等[74]對渤海海冰災(zāi)害歷程進(jìn)行簡要論述，分析了海冰作用于海上結(jié)構(gòu)物的破壞規(guī)律以及海冰災(zāi)害預(yù)防措施。戴厚興[75]針對冰區(qū)航運(yùn)問題，探討了渤海冰期船舶航行風(fēng)險(xiǎn)控制措施。史文奇等[76]分析了核電站冷源取水海冰堵塞的致險(xiǎn)模式與預(yù)警流程。徐廣遠(yuǎn) 等[77]分析了海冰災(zāi)害期間的海參養(yǎng)殖管理策略。趙寶剛[78]基于雷達(dá)遙感技術(shù)，針對局部海域冰情變化，探索了海冰監(jiān)測方法與預(yù)報(bào)方法。

針對渤海油氣平臺的海冰風(fēng)險(xiǎn)管理，YUE 等[79]分析了渤海導(dǎo)管架平臺的主要失效模式，即結(jié)構(gòu)性失效和非結(jié)構(gòu)性失效，并指出冰激振動引起的平臺上部管線破壞與人員舒適度降低是抗冰平臺的主要風(fēng)險(xiǎn)。WANG 等[80]介紹了面向冰振失效風(fēng)險(xiǎn)的平臺原型監(jiān)測及預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，闡述了監(jiān)測信息應(yīng)當(dāng)包含冰載荷、海冰參數(shù)、環(huán)境參數(shù)以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)等信息；同時(shí)表明，為保證信息的時(shí)效性，應(yīng)將經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)應(yīng)用于冰情的預(yù)測模型?，F(xiàn)有預(yù)警理論中的結(jié)構(gòu)抗力分析及載荷模型多源于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，工程應(yīng)用中還不能很好地量化描述冰與結(jié)構(gòu)的相互作用，難以同時(shí)滿足預(yù)警精度需求。為解決這一矛盾，于嵩松采用物聯(lián)網(wǎng)理念，集合大數(shù)據(jù)分析、智能計(jì)算的新一代信息技術(shù)來提升海冰風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警決策能力；利用數(shù)據(jù)驅(qū)動的冰振風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)的集成研發(fā)，形成了依托結(jié)構(gòu)冰振風(fēng)險(xiǎn)要素感知、預(yù)測與預(yù)警的信息綜合服務(wù)體系；提出了冰情-冰振響應(yīng)最優(yōu)預(yù)測模式，為冰區(qū)經(jīng)濟(jì)型結(jié)構(gòu)的海冰風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提供理論參考。

6 結(jié)語

近三四十年，結(jié)合我國黃海和渤海區(qū)域的冰情和結(jié)構(gòu)特征，有關(guān)海冰調(diào)查、冰載荷研究、結(jié)構(gòu)抗冰方法及海冰管理均有大量的研究成果，這些主要是以抗冰油氣平臺為基礎(chǔ)發(fā)展而來。近幾年，黃海和渤海地區(qū)平臺的老齡化以及風(fēng)電場的建設(shè)等，對海冰工程研究提出了新的要求。通過對我國海冰工程研究的回顧可以發(fā)現(xiàn)：

目前關(guān)于黃海和渤海地區(qū)冰情信息的調(diào)查與統(tǒng)計(jì)分析時(shí)間較早，氣候的改變使得近年來黃海和渤海地區(qū)的短期冰情發(fā)生了一定變化，同時(shí)風(fēng)電場及冰區(qū)監(jiān)測浮標(biāo)的建設(shè)對冰情信息的精細(xì)化和準(zhǔn)確性提出更高要求。因此，我國冰區(qū)工程未來發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)方向是黃海和渤海地區(qū)現(xiàn)場冰情調(diào)查和數(shù)值推演的冰情數(shù)據(jù)構(gòu)建研究。

對于海冰載荷方面的研究主要集中于20 世紀(jì)油氣平臺的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)建立的模型，包括直立柔性結(jié)構(gòu)與窄錐體結(jié)構(gòu)的極值靜載荷模型和動載荷模型，提出了隨機(jī)冰載荷譜。近年來，冰載荷的研究主要集中在數(shù)值方法的構(gòu)建（如離散元數(shù)值模擬方法），有關(guān)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場觀測的研究成果和數(shù)據(jù)相對較少。而冰區(qū)新型裝備的不斷涌現(xiàn)，結(jié)構(gòu)面臨的冰載荷特征不夠明確，數(shù)值分析方法不夠成熟，很難完全模擬海冰材料的特性。海冰的模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)、模型冰制備以及海冰相似等成為海冰工程研究的另一個(gè)重點(diǎn)方向。

我國在海冰管理方面開展的工作也比較早，主要針對渤海油氣平臺的海冰風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，包括海冰監(jiān)測、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)、冰振預(yù)測、破冰建議以及人員和設(shè)備冰振預(yù)警措施等方面。對于未來北極地區(qū)作業(yè)的裝備，海冰管理是其安全運(yùn)行的最重要保障，渤海海冰管理技術(shù)的研究成果能夠極大地推動極地海冰管理體系的研究。